CN101777662B - 一种平板式固体氧化物燃料电池的电池堆装置 - Google Patents
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Abstract
一种平板式固体氧化物燃料电池的电池堆装置，其包括有电池单元、燃料气体进气管、燃料气体出气管、氧化气体进气管、氧化气体出气管，其特征在于：下盖板、密封复合组件、下接线板、密封复合组件、气道下密封组件，电池单元、气道上密封组件、密封复合组件、上接线板、密封复合组件与上盖板的角落部位用连接杆穿置固定起来，并通过侧边的开孔使气道上下密封组件与电池单元之间形成流道，其结构合理、便于堆装、容易组装生产，密封性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种中、低温平板式固体氧化物燃料电池堆结构。
背景技术
平板型的固体氧化物燃料电池堆中，燃料在电池堆内发生化学发应，高温气体的流动和温度分布对电池堆的燃料利用率和性能具有重要的影响作用。不尽如此，电池堆元部件单电池与不锈钢中间连接件、中间连接件与其他组件之间的密封对于防止燃料和氧化气体的泄漏，提高电池开路电压具有重要的意义。高温固体氧化物燃料电池在高温运行过程中，单电池与金属连接件和其他组件之间的密封要求具有相近的热膨胀系数和化学相容性。因此，设计一种具有特殊结构的电池堆，发明一种性能稳定、热膨胀系数与单电池相近的复合密封方法具有重要的作用。传统元部件尤其是中间连接件通常采用的机械加工方法要求连接件厚度较厚(一般不低于1mm)，从而使得元部件和加工成本都大大提高。为了降低电池堆的制造成本，元部件(如单电池和中间连接件)的制作方法也有待简化。
在电池堆结构方面，现有公开的专利，如CN1636296，CN1636284等所描述的结构为连接件开槽、气体流动非等距离结构型，使得燃料利用和分布处于非最佳状态；在电池堆密封方面，现有公开的专利，如CN 1825672A、CN 1649186A、CN 1494176A、CN 1599092A等所描述的密封方法有采用微晶玻璃、玻璃基体和陶瓷纤维组成的混合物等为密封材料。然而，现有的密封材料技术在固体氧化物燃料电池热循环过程中，由于热膨胀系数的不同和化学稳定性的不稳定，导致燃料电池运行过程中出现密封材料与密封部件出现间隙、密封材料表面剥落或电池开裂等问题，所以需要进一步改进和设计；在电池堆元部件制作方法方面，文献报道通常采用机械加工方法，使得元部件及其加工成本都较高，制作工艺有待改善和简化。
本申请人采用电池堆+玻璃陶瓷+热循环+固体氧化物燃料电池(Stack+Ceramicglass+Thermal cycling+Solid oxide fuel cell)作为关键词检索了美国的《金属文摘》(MetalsAbstracts)、美国的《工程文摘索引》(EI)、我国的《中国期刊网》和《维普中文期刊数据库》等科技文献索引，均没有查到完全相关文献。申请人还检索了美国专利文摘和欧洲专利文摘(EP&PCT)与《中国专利信息网》也没有发现同类专利。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题是提供一种结构合理、便于堆装、容易组装生产的平板式固体氧化物燃料电池的电池堆装置。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种气体流动是等距离结构型、使得燃料利用和分布处于最佳状态的平板式固体氧化物燃料电池的电池堆装置。
本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种热循环密封性能优良、加工制作方便的平板式固体氧化物燃料电池的电池堆装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种平板式固体氧化物燃料电池的电池堆装置，其包括有电池单元、燃料气体进气管、燃料气体出气管、氧化气体进气管、氧化气体出气管，其特征在于：
下盖板是中空的，分割出左、右空腔作为燃料气体空腔和氧化气体空腔，分别与燃料气体进气管和氧化气体进气管连通，对应地，上盖板也是中空的，分割出右、左空腔作为反应过的燃料气体空腔和反应过的氧化气体空腔，分别与燃料气体出气管和氧化气体出气管连通；
与燃料气体空腔连通、位于下盖板侧边上的燃料气体空腔出口依次通过侧边开孔的密封复合组件、侧边开孔的下接线板、侧边开孔的密封复合组件、与气道下密封组件侧边上的延伸进口连通，而气道下密封组件相反方向侧边上的延伸出口依次经过电池相反方向的侧边开孔，再依次通过气道上密封组件相反方向侧边上的开孔、相反方向侧边开孔的密封复合组件、相反方向侧边开孔的上接线板、相反方向侧边开孔的密封复合组件，与上盖板对应侧边上、反应过的燃料气体空腔连通；
与氧化气体空腔连通、位于下盖板侧边上的氧化气体空腔出口依次通过侧边开孔的密封复合组件、侧边开孔的下接线板、侧边开孔的密封复合组件、侧边开孔的气道下密封组件、侧边开孔的电池单元与气道上密封组件侧边上的延伸进口连通，而气道上密封组件相反方向侧边上的延伸出口依次经相反方向侧边开孔的密封复合组件、相反方向侧边开孔的上接线板、相反方向侧边开孔的密封复合组件，与上盖板对应侧边上、反应过的氧化气体空腔连通；
下盖板、密封复合组件、下接线板、密封复合组件、气道下密封组件，电池单元、气道上密封组件、密封复合组件、上接线板、密封复合组件与上盖板的角落部位用连接杆穿置固定起来。
作为改进，所述的电池单元与气道下密封组件和气道上密封组件之间的间距是等间距的，使得燃料利用和分布处于最佳状态。
作为改进，所述的气道下密封组件和气道上密封组件中的连接件中间区域是采用蜂窝板形状，采用冲压或蚀刻方法制备而成。以提高气流扰动，获得更加好的反应传热效果。
作为改进，所述的连接杆的下端是带螺母的，上部套上压套和弹簧用螺母限位固定，以便于组装生产。
进一步改进，所述的密封复合组件是由不锈钢间隔板及粘贴于不锈钢间隔板两侧的玻璃陶瓷非晶材料组成，
玻璃陶瓷非晶材料包括有如下重量份数配比的组分：
Al2O3 10～17；
SiO2 35～55；
CaO 28～38，
微量元素 0.8～3.8。
作为改进，所述的微量元素包括0.5～2.0重量份数的Zn和0.3～1.8重量份数的F。
所述的玻璃陶瓷非晶材料固定于不锈钢间隔板两侧具体条件如下：置于加热炉中，在4～6kg的压力下按照4～6℃/min的程序升温到840～860℃后保温1.5～2.5小时，并进行2～4次热循环。
最后，所述的玻璃陶瓷非晶材料的密封层厚度小于1mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明适用于中、低温固体氧化物燃料电池堆结构设计与元部件制作，电池堆元部件单电池与不锈钢中间连接件、不锈钢中间连接件之间的可热循环密封，如Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ与430不锈钢中间连接件、Crofer 22APU不锈钢等，本发明是针对中、低温固体氧化物燃料电池堆结构设计、单电池与不锈钢连接件、不锈钢连接件与其他组件之间可热循环密封、电池堆元部件制作的新方法，形成具有等距离气体流道、可热循环性能、元部件制作工艺简单的电池堆；制作后经测试，燃料气体从进口到出口距离相等，密封材料元素经过高温后未扩散进入单电池，元部件制作工艺简单，表明燃料经过电池表面发生化学反应的时间相等，密封材料不会对单电池性能产生破坏作用，密封材料与SUS430不锈钢的界面润湿性能良好，具有优异的热循环密封性能；由本发明制作的电池堆结构及其密封性能测试可得到长时间稳定的电池电压和优异的热循环性能。
附图说明
图1为高温密封气体阴极和阳极等距离流道电池堆结构示意图。
图2为电池堆中间连接件示意图。
图3为图2的侧视图。
图4为图2中A部放大图。
图5为图3中B部放大图。
图6为电池堆密封复合组件结构示意图。
图7为未经过烧结的密封材料200℃高温影像图谱。
图8为未经过烧结的密封材料750℃高温影像图谱。
图9为未经过烧结的密封材料800℃高温影像图谱。
图10为未经过烧结的密封材料850℃高温影像图谱。
图11为经过烧结的密封材料200℃高温影像图谱。
图12为经过烧结的密封材料800℃高温影像图谱。
图13为经过烧结的密封材料850℃高温影像图谱。
图14为经过烧结的密封材料900℃高温影像图谱。
图15为经过热循环烧结前、后密封材料的XRD衍射结果图。
图1 6为密封材料与Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ单电池的界面形貌图。
图17为密封材料和Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ单电池在界面的元素分布图。
图18为密封材料与SUS430不锈钢中间连接件的界面形貌图。
图19为单元电池短堆电压测试结果图。
图20为单元电池短堆热循环测试结果图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实例一
见图1，一种电池堆装置，其包括有电池单元1、燃料气体进气管2、燃料气体出气管3、氧化气体进气管4、氧化气体出气管5，其中：
下盖板6是中空的，分割出左、右空腔作为燃料气体空腔和氧化气体空腔，分别与燃料气体进气管2和氧化气体进气管4连通，对应地，上盖板20也是中空的，分割出右、左空腔作为反应过的燃料气体空腔和反应过的氧化气体空腔，分别与燃料气体出气管3和氧化气体出气管5连通；
与燃料气体空腔连通、位于下盖板6侧边上的燃料气体空腔出口依次通过左侧边开孔7.1的密封复合组件7、左侧边开孔8.1的下接线板8、左侧边开孔9.1的密封复合组件9、与气道下密封组件10左侧边上的延伸进口10.1连通，而气道下密封组件10右侧边上的延伸出口10.2依次经过电池单元1右侧边开孔1.2，再依次通过气道上密封组件11右侧边上的开孔11.3、右侧边开孔12.2的密封复合组件12、右侧边开孔的上接线板13、右侧边开孔14.2的密封复合组件14，与上盖板20右侧边上、反应过的燃料气体空腔连通；
类似地，与氧化气体空腔连通、位于下盖板6右侧边上的氧化气体空腔出口依次通过右侧边开孔7.2的密封复合组件7、右侧边开孔8.2的下接线板8、右侧边开孔9.2的密封复合组件9、右侧边开孔的气道下密封组件10、右侧边开孔1.1的电池单元1与气道上密封组件11右侧边上的延伸进口11.2连通，而气道上密封组件左侧边上的延伸出口11.1依次经过左侧边开孔12.1的密封复合组件12、左侧边开孔的上接线板13、左侧边开孔14.1的密封复合组件14，与上盖板20左侧边上、反应过的氧化气体空腔连通；
这样可以使燃料气体和氧化气体分别在气道上、下密封组件与电池单元构成的空腔中流动；
下盖板6、密封复合组件7、下接线板8、密封复合组件9、气道下密封组件10，电池单元1、气道上密封组件11、密封复合组件12、上接线板13、密封复合组件14与上盖板20的角落部位用连接杆15穿置固定起来，连接杆15的下端是带螺母16的，上部套上压套17和弹簧18用螺母19从而限位固定。
本实施例子中，电池单元1与气道下密封组件10和气道上密封组件11之间的间距是等间距的。气道下密封组件10和气道上密封组件11中的连接件中间区域是采用蜂窝板形状。气道上、下密封组件是由两部分组成的。
见图6，密封复合组件是由不锈钢间隔板2a及粘贴于不锈钢间隔板两侧的玻璃陶瓷非晶材料1a、3a组成，
玻璃陶瓷非晶材料包括有如下重量份数配比的组分：
Al2O3 10～17；
SiO2 35～55；
CaO 28～38；
微量元素0.8～3.8。其中玻璃陶瓷非晶材料中的微量元素包括0.5～2.0重量份数的Zn和0.3～1.8重量份数的F。
玻璃陶瓷非晶材料固定于不锈钢间隔板两侧具体条件如下：置于加热炉中，在4～6kg的压力下按照4～6℃/min的程序升温到840～860℃后保温1.5～2.5小时，并进行2～4次热循环。使玻璃陶瓷非晶材料的密封层厚度小于1mm。
实例二
电池堆可热循环密封材料的性能测试。密封材料的主要成分比例为14wt.％的Al2O3，34.8wt.％的CaO，47.9wt.％的SiO2，其他微量元素3.3wt.％，其中微量元素可以包括Zn和F。将经过热循环前、后的密封材料压制成为Φ6×8mm的小圆柱，置放于SJY高温影像烧结仪内，按照5℃/min程序升温至900℃，对其烧结前后的软化性能进行观察。图7至图10为未烧结之前的高温影像显示图谱，从图中可以看出，密封材料在800℃有软化的迹象，850℃后完全软化。图11至图14为经过热循环烧结的高温影像显示图谱，结果显示经过烧结后的密封材料在900℃时软化。图15为经过850℃烧结前、后的XRD衍射，结果显示均为非晶相。上述结果表明，该种密封材料在低于850℃时具有良好的热循环性能。本实施例中的密封材料的主要成分比例可以扩大到如下重量百分比的组分范围：Al2O310～17％；SiO235～55％；CaO28～38％。
实例三
密封材料与单电池Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ的界面润湿。为了进行与密封材料与阳极支撑平板型单电池Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ的界面润湿性能测试，将密封材料粘贴于单电池两侧。随后置于加热炉中，在4～6kg的压力下按照5℃/min的程序升温到850℃后保温2小时，并进行三次热循环。实验结束待加热炉缓慢冷却至室温后，采用扫描电镜对其界面形貌进行观察，并对其界面的元素分布进行了分析，结果如图11、12所示。从图中16可以看出，经过三次热循环后，该种密封材料与单电池的界面润湿性能良好，表明具有优异的热循环密封性能。从图17可以看出，该种密封材料元素经过高温后未扩散进入单电池，表明密封材料不会对单电池性能产生破坏作用，密封层厚度约为100μm。
实例四
密封材料与SUS430不锈钢的界面润湿。将实例一中的密封玻璃粘贴于0.3mm厚的SUS430不锈钢两侧。随后置于加热炉中，在4～6kg的压力下按照5℃/min的程序升温到850℃后保温2小时，并进行三次热循环。实验结束待加热炉缓慢冷却至室温后，采用扫描电镜对其界面形貌进行观察，结果如图18所示。从图中可以看出，经过三次热循环后，该种密封材料与SUS430不锈钢的界面润湿性能良好，表明具有优异的热循环密封性能。
实例五
单元电池堆重复单元热循环密封测试。采用实例一中的电池堆结构和实例二中的可热循环密封材料，组装成电池堆重复单元(包括上、下盖板、连接件、密封复合组件和中间连接件)，并对其开路电压和热循环性能进行测试，结果如图19、20所示。从图中可以看出，电池堆重复单元开路电压超过1.1V，表明密封性能优异。电池堆重复单元经历了46次热循环，运行时间1350h，表明热循环性能优异。
Claims (6)
1.一种平板式固体氧化物燃料电池的电池堆装置，其包括有电池单元、燃料气体进气管、燃料气体出气管、氧化气体进气管、氧化气体出气管，其特征在于：
下盖板是中空的，分割出左、右空腔作为燃料气体空腔和氧化气体空腔，分别与燃料气体进气管和氧化气体进气管连通，对应地，上盖板也是中空的，分割出右、左空腔作为反应过的燃料气体空腔和反应过的氧化气体空腔，分别与燃料气体出气管和氧化气体出气管连通；
与燃料气体空腔连通、位于下盖板侧边上的燃料气体空腔出口依次通过侧边开孔的密封复合组件、侧边开孔的下接线板、侧边开孔的密封复合组件、与气道下密封组件侧边上的延伸进口连通，而气道下密封组件相反方向侧边上的延伸出口依次经过电池单元相反方向的侧边开孔，再依次通过气道上密封组件相反方向侧边上的开孔、相反方向侧边开孔的密封复合组件、相反方向侧边开孔的上接线板、相反方向侧边开孔的密封复合组件，与上盖板对应侧边上、反应过的燃料气体空腔连通；
与氧化气体空腔连通、位于下盖板侧边上的氧化气体空腔出口依次通过侧边开孔的密封复合组件、侧边开孔的下接线板、侧边开孔的密封复合组件、侧边开孔的气道下密封组件、侧边开孔的电池单元与气道上密封组件侧边上的延伸进口连通，而气道上密封组件相反方向侧边上的延伸出口依次经相反方向侧边开孔的密封复合组件、相反方向侧边开孔的上接线板、相反方向侧边开孔的密封复合组件，与上盖板对应侧边上、反应过的氧化气体空腔连通；
下盖板、密封复合组件、下接线板、密封复合组件、气道下密封组件，电池单元、气道上密封组件、密封复合组件、上接线板、密封复合组件与上盖板的角落部位用连接杆穿置固定起来。
2.根据权利要求1所述的电池堆装置，其特征在于所述的电池单元与气道下密封组件和气道上密封组件之间的间距是等间距的。
3.根据权利要求1所述的电池堆装置，其特征在于所述的连接杆的下端是带螺母的，上部套上压套和弹簧用螺母限位固定。
4.根据权利要求1至3任意一项权利要求所述的电池堆装置，其特征在于所述的密封复合组件是由不锈钢间隔板及粘贴于不锈钢间隔板两侧的玻璃陶瓷非晶材料组成，
玻璃陶瓷非晶材料由如下组分及其重量配比的组成：
Al2O3 10～17；
SiO2 35～55；
CaO 28～38，
微量元素 0.8～3.8。
5.根据权利要求4所述的电池堆装置，其特征在于所述的微量元素包括0.5～2.0重量份数的Zn和0.3～1.8重量份数的F。
6.根据权利要求4所述的电池堆装置，其特征在于所述的玻璃陶瓷非晶材料的密封层厚度小于1mm。
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2009
- 2009-01-08 CN CN2009100953285A patent/CN101777662B/zh active Active
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